一種基于復合光柵投影的快速三維測量方法與流程

文檔序號：12654866閱讀：1025來源：國知局

本發明涉及快速三維測量技術領域，尤其是一種基于復合光柵投影的快速三維測量方法。

背景技術：

近年來，光學三維測量技術因其具備高精度、與被測物體非接觸的優點而得到迅速的發展，隨著計算機技術、信息技術和數字化技術的發展，由投影系統、工業相機和計算機處理系統組成的投影結構光三維測量系統應運而生。

經過眾多學者的多年研究產生了基于格雷碼的投影測量方法、基于鄰域解碼的投影測量方法、基于相位的數字投影技術方法等。其中，基于相位的數字投影技術因其測量速度快，能夠進行致密重建，相對測量精度較高，因此具備較大的發展潛力。因為相位與深度存在非線性關系，所以對于基于相位的數字投影技術而言，最重要的步驟是獲取連續的絕對相位。在實現方面首先將不同的具有相位信息的數字光柵投射于被測物體上，然后通過相機對投射的相位光柵進行數據采集，經過相應的解相處理得出物體的絕對相位，進而可以通過非線性關系獲取物體的深度信息，是一種具有多重優點的三維測量方法。

經過國內外眾多學者的研究，現在獲取絕對相位的方法基本有兩大類方法，一類方法是利用空間鄰域信息進行相位獲取，這類方法誤差過大，無法進行很好的實際應用。更多的研究是針對另一類方法，這一類方法是利用時域信息進行相位解包，在相機拍攝速度有限和保證測量精度的前提下，現在相對較好的投影三維測量方法至少需要投射六幅光柵圖片才能進行絕對相位的展開。還有一些使用了較少的光柵圖片，但是由于光柵較稀疏等原因，從而獲取相位方法的精度相對較低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種在保持精度的前提下，有效的提高了三維測量的速度的基于復合光柵投影的快速三維測量方法。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：一種基于復合光柵投影的快速三維測量方法，該方法包括下列順序的步驟：

(a)搭建好由投影系統、工業相機和計算機處理系統組成的測量系統；

(b)在計算機處理系統進行復合光柵的生成，并將所述復合光柵通過計算機處理系統燒錄至投影系統中；

(c)所述復合光柵通過投影系統投射到被測物表面，復合光柵經過被測物表面高度調制產生新形狀的復合光柵；

(d)用工業相機采集所述的新形狀復合光柵，并將采集的新形狀的復合光柵傳送到計算機處理系統中；

(e)在計算機處理系統中，經過工業相機采集的新形狀的復合光柵通過五步相移法解相，分別獲取余弦光柵包裹相位和階梯光柵包裹相位；

(f)將獲取的所述階梯光柵包裹相位進行圓整處理，并結合所述余弦光柵包裹相位將包裹相位展開成絕對相位；

(g)通過所述絕對相位與被測物深度對應的非線性關系進行物體三維信息的重建。

在所述步驟(a)中，所述測量系統帶有同步觸發功能，能夠瞬間采集投射出去的光柵并傳送至計算機處理系統。

在所述步驟(b)中，所述復合光柵是由特定周期比的單一余弦光柵和單一階梯光柵在單顏色通道下復合而成的，其灰度分布的計算公式如下：

I_k(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-r×kπ/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-s×kπ/5] (1)

其中，(x,y)表示像素坐標，I’(x,y)表示復合光柵背景強度，I”(x,y)表示余弦光柵的調制強度，I”’(x,y)表示階梯光柵的調制強度，φ^r表示余弦光柵包裹相位，r表示余弦光柵相移量的比例因子，φ^s表示階梯光柵包裹相位，s表示階梯光柵相移量的比例因子，I_k(x,y)表示第k幅復合光柵，k＝0,1,2,3,4。

在所述步驟(e)中，所述五步相移法的計算公式如下：

其中，(x,y)表示像素坐標，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，r表示余弦光柵相移量的比例因子，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，s表示階梯光柵相移量的比例因子，I_k(x,y)表示第k幅復合光柵，k＝0,1,2,3,4。

在所述步驟(f)中，所述圓整處理的計算公式為：

K(x,y)＝round[5φ^s(x,y)/2π] (3)

其中，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，round表示圓整函數，K(x,y)表示圓整后的階梯光柵包裹相位；

所述絕對相位的計算公式如下：

Φ^w(x,y)＝φ^r(x,y)+K(x,y)·2π (4)

其中，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，K(x,y)表示圓整后的階梯光柵包裹相位，Φ^w(x,y)表示絕對相位。

由上述技術方案可知，本發明的優點在于：第一，本發明只需要進行一組五幅光柵圖片的投影和采集，并通過一次五步相移法就可以進行物體相位的展開；第二，本發明提出的方法與傳統較好的時域解包方法相比，在具有相同測量精度的情況下，本發明減少了光柵圖片數量的使用，提升了測量速度。

附圖說明

圖1為本發明采用的復合光柵圖；

圖2(a)為SNR＝22干擾的整體復合光柵圖，圖2(b)為無SNR干擾的復合光柵和SNR＝22干擾的復合光柵和的局部對比圖；

圖3為余弦包裹相位圖；

圖4為階梯包裹相位圖；

圖5為仿真的圓整階梯包裹相位圖；

圖6為仿真的絕對相位圖；

圖7為測量系統圖；

圖8為采集的實物圖；

圖9為被測物的包裹相位圖；

圖10為被測物的絕對相位圖；

圖11為被測物三維信息渲染圖。

具體實施方式

實施例一

本實施例為仿真測量，所有的過程在計算機中進行處理，下面是具體仿真過程：

步驟1：將本發明設計的復合光柵通過MATLAB軟件生成，設計的復合光柵灰度分布如下式所示，其形狀如圖1所示。

I₁(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-8π/5]

I₂(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-4π/5]

I₃(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)]

I₄(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+4π/5]

I₅(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+8π/5]

其中，(x,y)表示像素坐標，I'(x,y)表示光柵背景強度，I”(x,y)表示余弦光柵的調制強度，I”'(x,y)表示階梯光柵的調制強度，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，余弦光柵的相移量為2π/5，階梯光柵的相移量為4π/5。

步驟2：將生成的復合光柵加入SNR＝22的干擾，其圖像形狀如圖2(a)所示；SNR＝22的復合光柵圖與無SNR干擾的復合光柵圖對比如圖2(b)所示。

步驟3：將受到干擾的復合光柵用MATLAB軟件進行處理，首先進行五步相移法處理，其處理過程如下式所示：

其中，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，求解的余弦光柵包裹相位如圖3所示，求解的階梯光柵包裹相位如圖4所示。

步驟4：將階梯光柵包裹相位通過下式所述的過程進行圓整，圓整后形狀如圖5所示。

K(x,y)＝round[5φ^s(x,y)/2π]

其中，round表示圓整函數，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，K(x,y)表示圓整后的階梯光柵包裹相位。

步驟5：將圓整的階梯光柵包裹相位與余弦光柵包裹相位通過下式所述的過程進行結合，最終形成絕對相位，其形狀如圖6所示，可以看出在SNR＝22的情況下解出的絕對相位雖然有少量的噪聲點，但從整體上來說，解出的絕對相位還是比較好的，具備極強的抗干擾能力。

Φ^w(x,y)＝φ^r(x,y)+K(x,y)·2π

其中，Φ^w(x,y)表示絕對相位,K(x,y)表示圓整后的階梯包裹相位，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位。

實施例二

本實施例為實物拍攝測量，本次實物的測量距離為500mm左右，其具體過程如下所示：

步驟1：如圖7所示，搭建好由投影系統、工業相機、計算機處理系統組成的測量系統，投影系統、工業相機通過數據線和采集卡與計算機處理系統相連接。在這個測量系統中，選用的投影儀型號為TI(德州儀器)公司開發的LightCrafter 4500，工業相機型號為IO公司的2M360CL，計算機系統中包括MATLAB編程軟件、操作投影儀與工業相機的軟件等。

步驟2：將設計的復合光柵通過MATLAB軟件生成，設計的復合光柵灰度如下式所示，其形狀如圖1所示。

I₁(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-8π/5]

I₂(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)-2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)-4π/5]

I₃(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)]

I₄(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+2π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+4π/5]

I₅(x,y)＝I'(x,y)+I”(x,y)cos[φ^r(x,y)+4π/5]+I”'(x,y)cos[φ^s(x,y)+8π/5]

步驟3：將生成的復合光柵通過計算機系統燒錄至投影系統中，并向物體進行投射。

步驟4：用工業相機采集被物體反射回來的復合光柵，并同步傳輸至計算機處理系統中，工業相機采集到的復合光柵如圖8所示。

步驟5：在計算機處理系統中，將采集到的復合光柵通過五步相移法，其處理過程如下式所示：

其中，φ^r(x,y)表示余弦光柵包裹相位，φ^s(x,y)表示階梯光柵包裹相位，解得的余弦光柵包裹相位和階梯光柵包裹相位如圖9所示。

步驟6：將階梯光柵包裹相位通過下式所述的過程進行圓整。

K(x,y)＝round[5φ^s(x,y)/2π]